Повышение гидрофильности технический углерод Порошкообразные частицы играют ключевую роль в повышении стабильности их дисперсии в воде и улучшении совместимости с полярными средами. Это крайне важно в таких областях, как покрытия, чернила и резиновые композиты.
Поверхностные химические Модификация
Окислительная модификация
- Окисление в газовой фазеОбработка озоном, кислородом или плазмой используется для введения кислородсодержащих функциональных групп (таких как карбоксильные и гидроксильные группы) на поверхность сажи. Например, обработка кислородной плазмой значительно увеличивает содержание кислорода на поверхности, снижает краевой угол смачивания до менее 40° и улучшает стабильность дисперсии.
- Жидкофазное окислениеДля окисления используются такие окислители, как азотная кислота и перекись водорода. Окисление азотной кислотой (концентрация 10% при 70°C в течение 3 часов) эффективно удаляет органические вещества с поверхности и повышает гидрофильность.
- Анодное окисление/плазменное окислениеУскоряет реакции окисления в электрическом поле, повышая эффективность более чем на 301 Тл·3Тл по сравнению с традиционными методами. Однако для предотвращения чрезмерного окисления и разложения кислородсодержащих групп необходим контроль температуры.
Модификация прививки
- Прививка полиакриловой кислотыПри pH=3, при использовании инициатора персульфата аммония в концентрации 0,5% в течение 2 часов, стабильность дисперсии сажи в воде улучшается на 50%.
- Сополимеры с сульфокислотными группами (например, 2-акриламидо-2-метилпропансульфонат натрия)Вводит сильные гидрофильные группы для улучшения дисперсии за счет электростатического отталкивания.
- свободнорадикальная полимеризация с прививкойПод воздействием ультразвукового излучения гидрофильные полимеры (такие как полиакриловая кислота и полистиролсульфонат натрия) прививаются к поверхности сажи.
- Прививка сополимера в виде гребняВ составе используется полиэтиленсульфонат натрия (PSS) для адсорбции на поверхности сажи посредством π-π-сопряжения, после чего проводится 12-часовое шаровое измельчение. Полученная дисперсия сажи стабильна и пригодна для влажного смешивания с резиной.
Физическое покрытие и диспергатор Модификация
Полимерное покрытие
- Покрытие методом микроэмульсионной полимеризацииНапример, для покрытия порошка сажи используются производные полиэтиленгликоля или анионные поверхностно-активные вещества (такие как AKN-2290). Массовое соотношение сажи к поверхностно-активному веществу составляет 1:0,05–1, а высокоскоростное сдвиговое воздействие формирует гидрофильную оболочку.
- Фазово-рассеивающее покрытиеГидрофобная сажа покрывается гидрофильными полимерами (например, поливиниловым спиртом) посредством самосборки на границе раздела фаз, образуя структуру типа «ядро-оболочка» с эффективностью активации >95%.
Применение диспергатора
- Анионные/неионогенные поверхностно-активные веществаПримерами являются додецилсульфат натрия и соединения серии O (от O-10 до O-35). Они снижают поверхностное натяжение сажи, улучшая смачиваемость.
- Силановые связующие агентыНапример, Si-69 (TESPT), обычно используемый для получения белого технического углерода, модифицирует порошок технического углерода путем объединения гидрофобных групп с техническим углеродом и обнажения гидрофильных групп, хотя этот процесс более дорогостоящий.
Оптимизация процессов и вспомогательные методы
Механико-химическая обработка
- шаровое измельчение активация: Шаровое измельчение технического углерода с полистиролсульфонатом натрия (PSS) в течение 12 часов. Механическое воздействие разрушает агрегаты, а PSS повышает гидрофильность за счет π-π адсорбции. Этот метод идеально подходит для композитов на основе натурального каучука.
- Ультразвуковое облучениеСокращает время реакции прививки на 50%, снижает энергопотребление и предотвращает разложение групп из-за чрезмерного нагрева.
Плазменная обработка
- Обработка кислородной плазмой в вакуумных условиях увеличивает количество поверхностных кислородсодержащих функциональных групп в течение 5 минут, повышая дисперсию (значение D) на 30% без образования загрязняющих веществ.
Сборка, индуцированная солью
- Добавление следовых количеств катионов (таких как Li⁺ или Na⁺) усиливает сродство на границе раздела фаз между сажей и водой за счет катион-π взаимодействий. Эффект гистерезиса краевого угла смачивания значителен, что делает его подходящим для систем на водной основе.
Проверка приложений и оптимизация производительности
- Резиновые композитыГидрофильная сажа, используемая при смешивании латекса, повышает прочность на разрыв на 40% и значительно улучшает равномерность распределения наполнителя.
- Чернила/покрытия на водной основеТехнический углерод, модифицированный полиакриловой кислотой, повышает стабильность размера частиц, уменьшая засорение при струйной печати.
- Экологические соображенияЗакрытые системы гранулирования в сочетании с рекуперацией отработанных газов позволяют снизить выбросы пыли более чем на 901 тонну на 3 тонны.
Заключение
Основной принцип повышения гидрофильности порошка технического углерода заключается во введении полярных функциональных групп и усилении стерических препятствий. Для экономичных вариантов предпочтительнее окислительная модификация (жидкофазное окисление азотной кислотой) или покрытие поверхностно-активными веществами. Для высокоэффективных процессов идеально подходит ультразвуковая прививка полиакриловой кислоты или гребенчатых сополимеров в сочетании с шаровым измельчением. Для экологически чистых процессов обработка кислородной плазмой в сочетании со связующими агентами Si-69 обеспечивает как эффективность, так и преимущества для окружающей среды.